專利名稱：基于子帶分解的寬帶子陣自適應(yīng)波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶相控陣雷達的自適應(yīng)波束形成方法，可用于寬帶子陣自適應(yīng)波束形成，實現(xiàn)自適應(yīng)的抑制寬帶干擾信號，并減少設(shè)備量和運算量，易于工程實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，對雷達的要求已不僅僅局限于目標的位置參數(shù)探測，還要給出目標的屬性和目標的細微特征，目標識別和成像功能要求雷達具有大的信號帶寬。另外，陣列雷達具有靈活控制的波束、高的信號增益、強的干擾抑制能力及角度高分辨等優(yōu)點而被廣泛使用。寬帶陣列雷達結(jié)合寬帶雷達和陣列雷達的優(yōu)點，進一步增強了雷達的功能。 多功能相控陣成像雷達是現(xiàn)代雷達發(fā)展的一個重要方向。寬帶相控陣雷達的主要技術(shù)難點在于波束形成方法。寬帶相控陣波束形成的基本方法是空時二維處理，其加權(quán)系數(shù)不僅與方向有關(guān)，還與頻率有關(guān)，遠遠大于常規(guī)的只控相位法的權(quán)系數(shù)，尤其當(dāng)瞬時工作帶寬很寬且陣列孔徑很大的時候，采用上述方法運算量是非常大的。目前，用于寬帶大掃描角相控陣雷達波束形成的主要方法是采用模擬延時單元來對包絡(luò)進行對齊。但模擬延時單元是陣列中最昂貴的部分，且提供的延時是量化的，量化誤差會使得輸出信噪比下降和距離分辨率降低，影響目標成像質(zhì)量；模擬延時單元體積龐大，這給組裝帶來了困難。因此，尋找數(shù)字波束形成(DBF)方法是寬帶相控陣雷達功能實現(xiàn)的主要解決方法。但是DBF算法計算量較大，難以在瞬時寬帶信號條件下使用，其原因也是設(shè)備量大和相應(yīng)的成本增加等問題。如何得到簡單有效的DBF方法是寬帶陣列數(shù)字化的前提。當(dāng)存在寬帶旁瓣干擾時，目標淹沒在干擾里，無法進行檢測和識別。所以，在寬帶有源干擾情況下自適應(yīng)波束形成也是必須解決的問題。通?？刹捎贸轭^延時線及劃分為子帶方法對寬帶干擾進行對消，但抽頭延時線方法硬件耗費十分巨大，計算非常復(fù)雜。使用多速率濾波器劃分為子帶可以在數(shù)字域處理，但大型陣列的子帶劃分帶來的運算量增加是難以承受的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于子帶分解的寬帶子陣自適應(yīng)波束形成方法，實現(xiàn)自適應(yīng)的抑制寬帶干擾信號，并減少設(shè)備量和運算量，易于工程實現(xiàn)。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是采用數(shù)字技術(shù)消除模擬延時單元帶來的問題，把子帶分解和劃分子陣處理結(jié)合起來，其實現(xiàn)步驟包括如下(I)在寬帶相控陣雷達中，設(shè)相控陣陣列為一個等距離線陣，陣元間距為d，陣元數(shù)為N，劃分為L個子陣，每個子陣陣元數(shù)分別為PnA，其中η = 1，…，L;(2)將上述子陣通過移相器微波合成對準所在波束指向，獲得經(jīng)過合成后的數(shù)據(jù) Y(t)
Y (t) = TX ⑴，其中X(t) = [X1 (t),…，xN(t)]T為陣列接收數(shù)據(jù)，[]T為向量轉(zhuǎn)秩操作，Xi (t)為第i個陣元接收數(shù)據(jù)，其中i = l，…N，T為如下矩陣 T-
— %\ηθj—Rdsmd
3 λ ··. e Α O O O 0 0 0O O O
j—dsmej—P2dsm0
0 0 0 e A ··. e A 0 0 00 0 0
0 0 0 0 0 0 ； ··· ；0 0 0
(isin0j^-PLdsm0
o^ . . . /y ^
0 0 0 00 0000λ為發(fā)射信號的波長，Θ為波束指向方向，d為陣元間距，Pn為子陣陣元數(shù)，其中 η = I,…，L ;(3)將合成數(shù)據(jù)Y (t)轉(zhuǎn)換為頻域信號Y(W)Y (w) = TX(W),其中X(W)為陣列接收數(shù)據(jù)的頻域表示,X(w) = A(w) S (w)+N(W), A(W)為信號頻域?qū)蚴噶?，S(W)為發(fā)射信號，N(w)為干擾和噪聲信號，T為步驟⑵中所述的矩陣；(4)對頻域?qū)蚴噶窟M行降維處理，得到導(dǎo)向矢量降維結(jié)果B(W)B(w) = TA(W)，(5)選取原型低通濾波器，并利用余弦調(diào)制濾波器組對該原型濾波器進行調(diào)制，得到分析和綜合多速率濾波器組Hm (q) = 2h(q) cos((2w -1) (q - - (- l)m ^), 0<q<Q-l, l<m<Mfm(q) = 2h(q)cos((2m+ (-l)m^), 0<q<Q-l, \<m<M
2M 24其中，h' m(q)和f' m(q)分別為分析和綜合多速率濾波器組，h(q)為原型低通濾波器，該濾波器是一個線性相位低通FIR濾波器，Q為原型濾波器的長度，M是余弦調(diào)制濾波器組的通道數(shù)；(6)將上述分析和綜合多速率濾波器組分別修改為復(fù)數(shù)濾波器組hM)----2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,\<m<M
hM)----2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,M+l< w<2M
=2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,\<m<M
fM):=2h(q)e 2M 2 4 ,0<q<Q-l,M+l<w<2M其中hm(q)和fm(q)分別為修改后的分析和綜合多速率濾波器組；(7)將頻域信號Y(W)通過上述分析濾波器組進行濾波得到窄帶信號，對該窄帶信號進行下采樣，得到下采樣后的數(shù)據(jù)Zm(W)
I D-\Zm(W) = -^YiW/D + dw JHJw/D),
U d=0
2ττ其中％ =·^·，Y(w/D+dwd)表示頻域信號Y(w)的多相濾波結(jié)構(gòu)，Hm(w/D)為分析濾
5波器通過下采樣后的頻域響應(yīng)，m表示余弦調(diào)制濾波器組的通道數(shù)，D為下采樣倍數(shù)，d為陣元間距；(8)利用下采樣后的數(shù)據(jù)Zm(W)和步驟(3)中的導(dǎo)向矢量降維結(jié)果，求得窄帶內(nèi)各子帶自適應(yīng)權(quán)值Wm: Ψ
Bh (Wm)R-1 (Wm)B(Wm)
9 TTffj其中Wra =7，B(Wm)表示導(dǎo)向矢量第m個子帶的降維結(jié)果，=
R(Wm)表示協(xié)方差矩陣，BH(Wm)表示B(Wm)的共軛轉(zhuǎn)置，表示Zm(w)的共軛轉(zhuǎn)置；(9)在窄帶內(nèi)利用自適應(yīng)權(quán)值Ψπ對各子帶數(shù)據(jù)自適應(yīng)加權(quán)，進行波束形成，得到子帶輸出數(shù)據(jù)^lZm{w) = ^i>HmYjY{w I D + dwd)Hm{w ID)，
U d=0其中Ψ；^(W)為波束形成后的結(jié)果，Ψ=表示共軛轉(zhuǎn)置；(10)對上述波束形成后的信號Ψ；Α(μΟ進行上采樣，然后經(jīng)過綜合濾波器組進行濾波，得到輸出數(shù)據(jù)Fm(w)^lZm(Dw) = ^-Fm(w)^HmY4Y(w + dwd)Hm(w)，
Ud=0
2ττ其中= —, D為上采樣倍數(shù)，F(xiàn)m(W)為綜合濾波器的頻域響應(yīng)，Hm(W)為分析濾
波器的頻域響應(yīng)，Y(w+dwd)為不同子陣接收的頻域信號先后經(jīng)過下采樣和上采樣后所得的結(jié)果。
(11)對各綜合濾波器組的輸出數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，得到最后結(jié)果輸出尤(w):
MI MD-I
文 w=IX (wXi (加)=77ΣΧ (wX Σ r (w+好爪(…)
m=1m=1^I=Ct本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(I)現(xiàn)有的較常用的寬帶波束形成方法是采用模擬延時線的方法，不僅體積龐大， 而且存在量化誤差，影響波束形成的性能，且無法進行自適應(yīng)處理抑制干擾信號，而本發(fā)明設(shè)計的基于子帶分解的方法能夠利用成熟的窄帶波束形成的算法自適應(yīng)抑制寬帶干擾，且能并行操作，利于降低運算量；(2)現(xiàn)有的抽頭延時線方法硬件耗費十分巨大，該方法需要進行矩陣求逆操作，其中矩陣維數(shù)等于需要延時線的個數(shù)和陣列通道個數(shù)的乘積，雖然可以自適應(yīng)的抑制干擾信號，但計算非常復(fù)雜，本發(fā)明運算量集中在兩個方面信號經(jīng)過分析濾波器組和綜合濾波器組的計算量，以及矩陣求逆獲得自適應(yīng)權(quán)值的計算量。本發(fā)明由于采用子陣處理和子帶分
解，通道數(shù)大為減少，信號經(jīng)過濾波器組的運算量僅為全陣列的同時全陣列矩陣求逆的
運算量為O (N3)，而子陣矩陣求逆的運算量僅為0(L3)，計算量較其他方法大為降低，其中N 為相控陣陣元數(shù)，L為劃分后的子陣個數(shù)。另外在本發(fā)明中由于把整個陣列N個陣元劃分為L個子陣，工程實現(xiàn)時僅需要L個發(fā)射接收模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，硬件資源大為降低。


圖I是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明中余弦調(diào)制濾波器分析濾波器組的頻率響應(yīng)；圖3是本發(fā)明中修改后的余弦調(diào)制濾波器分析濾波器組的頻率響應(yīng)；圖4是本發(fā)明中某子帶波束形成方向圖；圖5是本發(fā)明中靜態(tài)波束形成后的接收信號；圖6是本發(fā)明中基于子帶分解的寬帶自適應(yīng)波束形成后的數(shù)據(jù)。
具體實施例方式參照圖1，發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下步驟I，把相控陣陣列劃分成若干子陣。在寬帶相控陣雷達中，設(shè)相控陣陣列為一個等距離線陣，陣元間距為d，陣元數(shù)為 N，采用多目標優(yōu)化算法劃分子陣，優(yōu)化的目標函數(shù)為陣列增益、波束寬度和旁瓣電平，假設(shè)把整個相控陣劃分為L個子陣，每個子陣陣元數(shù)分別為PnA，其中η = 1，…，L0步驟2，獲得子陣合成數(shù)據(jù)Y (t)。 將上述各子陣通過移相器微波合成，對準所在波束指向，獲得經(jīng)過合成后的數(shù)據(jù)Y(t)Y(t) = TX ⑴，其中T為如下矩陣
權(quán)利要求
1. 一種基于子帶分解的寬帶子陣自適應(yīng)波束形成方法，包括如下步驟(1)在寬帶相控陣雷達中，設(shè)相控陣陣列為一個等距離線陣，陣元間距為d，陣元數(shù)為 N，隨機劃分為L個子陣，每個子陣陣元數(shù)分別為PnA，其中η = 1，…，L ；(2)將上述子陣通過移相器微波合成對準所在波束指向，獲得經(jīng)過合成后的數(shù)據(jù) Y(t)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于子帶分解的寬帶子陣自適應(yīng)波束形成方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)運算量大，且無法進行自適應(yīng)處理抑制寬帶干擾信號的問題。其實現(xiàn)過程是1)把整個陣列劃分成若干子陣，子陣通過移相器微波合成對準所在波束指向，得到子陣合成數(shù)據(jù)；2)選取原型濾波器，經(jīng)過余弦調(diào)制濾波器組得到修改后的分析和綜合濾波器組；3)子陣合成數(shù)據(jù)經(jīng)過分析濾波器組后下采樣，求窄帶內(nèi)自適應(yīng)權(quán)值，在窄帶內(nèi)進行子帶波束形成；4)對子帶波束形成后的信號上采樣，經(jīng)過綜合濾波器組并將各綜合濾波器組的數(shù)據(jù)求和得到寬帶自適應(yīng)波束形成后的數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有硬件規(guī)模小，運算量低，自適應(yīng)抑制寬帶干擾信號的優(yōu)點，可用于寬帶相控陣雷達自適應(yīng)波束形成。
文檔編號G01S7/41GK102608588SQ201210066849
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者劉崢, 張倫, 曹運合, 樊友友, 謝榮 申請人:西安電子科技大學(xué)